22. Существующие и альтернативные источники энергии. Энергетические преобразователи, их виды и применение

Энергетическими преобразователями являются устройства для преобразования одного из видов природной энергии в вид, удобный для использования человеком.

Природной энергией являются все виды энергии, существующие в природе, которые могут быть использованы для нужд человечества. Обычно под ними подразумевают солнечную и ветровую энергии, энергию морских волн, приливов и отливов, тепловую энергию Земли и ряд других. Наиболее удобным видом энергии из всех, используемым человеком, является электричество, хотя в некоторых случаях природная энергия может быть использована непосред­ственно, например, тепловая энергия подземных вод, которую можно успешно использовать для обогрева домов, ветры, морские приливы и т. п.

Одним из эффективных видов преобразователей энергии являются так называемые «тепловые насосы», представляющие собой нечто вроде обычного хо­лодильника, у которого морозильная камера погружена в реку или море. На его калорифере выделяется вся энергия, взятая им из сети плюс вся энергия, добытая из морозильной камеры. Таких «тепловых насосов» построено по всему миру достаточно много, в том числе в Крыму. Кпд таких «насосов» - порядка 4-5, то есть они выделяют энергии в 4-5 раз больше, чем потребляют из сети. К сожалению, выделяемую энергию пока не удается преобразовать в другие виды из-за недостаточно высоких температур выделяемого тепла.

Весьма перспективными для некоторых районов земного шара, в основном, для южных являются солнечные преобразователи энергии. Этот вид преобразователей энергии используется для космических аппаратов. В преобразователях солнечной энергии на больших площадях размешены полупроводниковые элементы, в которых энергия фотонов света использована для выбивания из атомов слабо связанных электронов и создания электрического напряжения. Энергии таких элементов уже сегодня достаточно для поддержания работоспособности всех устройств, расположенных на космических спутниковых аппаратах.

Несмотря на обилие всевозможных источников энергии, которые могут быть использованы человеком, не все они удобны в обращении, не все могут быть использованы в конкретных случаях, не все они конкурентно способны в плане стоимости. Наиболее распространенными, удобными и относительно дешевыми видами энергии являются газ, нефть и вода (гидростанции). В последние десятилетия к ним добавилась атомная энергия (АЭС). Основными потребителями являются электростанции и котельные, потребляющие нефть, уголь и природный газ, а также транспорт. Все эти виды энергии экологически не чисты и ограничены в своих запасах. Поэтому поиски альтернативных видов источников энергий продолжает оставаться актуальным.

23. Измерение как метод познания природных процессов. Измерительные преобразователи, их виды и применение. Общая структура измерительных устройств

В процессе изучения природных явлений или в процессе производства различных изделий необходимо определять и численно оценивать их физические параметры. Для этого случат измерительные преобразователи или датчики физических величин.

Преобразователи измерительные (датчики) - средства измерения, преобразующие измеряемую неэлектрическую величину в другую физическую величину, удобную для использования человеком или автоматическим устройством.

В преобразователе необходимо различать первичное и вторичное преобразования измеряемой физической величины.

К первичному преобразованию относятся чувствительные элементы, непосредственно воспринимающие измеряемую физическую величину. Например, для измерения давления служат мембраны, анероидные коробки, сильфоны и т. п. Их задача - воспринять давление и преобразовать в механическое перемещение, которое более удобно для дальнейшего - вторичного преобразования в электрическую величину.

Основных видов первичных преобразователей два:

- преобразователи, в которых измеряемая величина преобразуется в линейное или угловое перемещение;

- преобразователи, использующие изменение электрических свойств чувствительного элемента при изменении измеряемой величины.

Принципиально существуют и другие виды преобразователей, например, химические или тепловые, но они не нашли широкого применения.

По виду выходного параметра преобразователи делятся на параметрические и генераторные.

Выходной величиной параметрического преобразователя является пассивный параметр электрической цепи - сопротивление, емкость, индуктивность и пр. Их применение в измерительных схемах требует вспомогательного источника питания. Наибольшее применение нашли параметрические преобразователи следующих видов:

- реостатные, основанные на зависимости величины сопротивления от положения подвижной щетки реостата (потенциометра). Применение - при измерении неэлектрических параметров, которые могут быть преобразованы в линейные или угловые перемещения, например, давлений с помощью анероидиых коробок, если при этом не требуется высокая точность.

- тензометрические, основанные на зависимости величины сопротивления от растяжения чувствительного элемента - тензометрического датчика, представляющего собой петлеобразно уложенную тонкую и длинную металлическую проволоку диаметром 0,02-0,05 мм, приклеенную на объект измерения. Применение - для измерения деформаций, механического напряжения, давлений и т. п.;

- термочувствительные, использующие зависимость сопротивления от температуры, выполняются в виде катушек из тонкой, обычно медной проволоки. Применение - для измерения температуры в замкнутом объеме, для измерения температуры потоков газа или жидкости и т. п.;

- индуктивные, использующие зависимость между индуктивностью или взаимной индуктивностью обмоток от положения отдельного элемента магнитопровода, перемещение которого определяется чувствительным элементом. Обладают высокой точностью. Применение - для измерения перемещений, давлений и т. п.;

- емкостные, использующие зависимость между емкостью конденсатора и размером и расположением его обкладок, а также диэлектрической проницаемостью среды. Обладают высокой чувствительностью, малой инертностью и высокой точностью. Применение - для измерения уровня жидкости, влажности веществ, малых перемещений;

- электролитические, использующие зависимость между электрическим сопротивлением электролита и его концентрацией. Применение - для измерения концентрации растворов;

- ионизационные, использующие зависимость между сопротивлением газового промежутка и степени его ионизации. Применение - для измерения интенсивности излучения, механического перемещения (ионизационный манометр), измерения плотности и состава газа.

Выходной величиной генераторного преобразователя является активная электрическая величина - э.д.с. или ток. Такие преобразователи выдают измеренную величину в форме электрического сигнала одного из видов - в виде уровня электрического напряжения постоянного, переменного или импульсного тока. Информация содержится в одном из электрических параметров -

в амплитуде, в частоте или в фазе, в числе импульсов или закодирована в коде последовательного или параллельного видов. Наибольшее применение нашли генераторные преобразователи следующих видов:

- индукционные, основанные на электромагнитной индукции при перемещении постоянного магнита вблизи катушки, в которой возникает э.д.с. Применение - для измерения скорости линейных и угловых перемещений;

- пьезоэлектрические, основанные на использовании пьезоэлектрического эффекта (под действием механического напряжения на поверхности кристалла кварца или другого вещества возникает электрический заряд). Применение - для измерения параметров быстро меняющихся механических величин;

- теплоэлектрические, основанные на термоэлектрическом эффекте в цепи термопары (при различной температуре спаев двух проводников из разнородных материалов в цепи термопары возникает э.д.с.). Применение - для измерения температуры в широком диапазоне;

- гальванические, основанные на возникновении э.д.с., при электрохимическом взаимодействии электродов с раствором. Применение - измерение концентрации ионов в растворах и газах;

- фотоэлектрические, основанные на возникновении э.дс. в некоторых металлах и полупроводниках при их освещении. Применение - для измерения интенсивности излучения, например, света.

Вторичные преобразователи представляют собой некоторую измерительную схему, воспринимающую сигнал от первичного преобразователя и преобразующего в вид, удобный для потребителя. Такими преобразователями являются, например, преобразователи, преобразующие амплитуду напряжения в код, частоту в напряжение, частоту в код и т. п.

Таким образом, общую структуру измерительных устройств можно представить в виде последовательного соединения: первичного преобразователя, вторичного преобразователя и индикаторного (регистрирующего) устройства. В качестве индикаторных устройств в современных измерительных приборах используют цифровые индикаторы, а в качестве регистрирующих - устройства с электронной цифровой памятью.